宇宙に1か月滞在すると、人間の心臓に老化の兆候が現れる丨Tech Weekly

周ShuyiとWang Xiangが編纂

ゴッホの『星月夜』の荒れ狂う空は科学理論と一致する

「星月夜」のまだら模様の星の光と渦巻く雲は、フィンセント・ファン・ゴッホの激しい心境を反映していると考えられている。新たな研究は、「星月夜」の荒れ狂う空は科学理論と一致しており、ゴッホは乱流の数学的構造を直感的に深く理解していたことを示唆している。関連論文は9月17日にPhysics of Fluids誌に掲載された。

フィンセント・ファン・ゴッホの「星月夜」は1889年に制作されました。

乱流は、水流、海流、血流、渦巻く嵐の雲、煙柱など、さまざまな流体で発生する自然現象です。乱流は本質的に混沌とした状態であり、大きな渦が継続的に形成され、小さな渦に分裂します。研究のために、科学者たちは『星月夜』のデジタル画像を使用して、絵画内の14の主要な渦巻き形状のスケールを分析し、大規模な渦と小規模な渦が衝突して相互作用するときの物理学の理論と一致するかどうかを調べた。

「星月夜」の渦

描かれた空の上の気流の動きを直接測定することは不可能であるため、研究者は筆跡を正確に測定し、その筆跡の大きさを乱流理論で予測される数学的スケールと比較した。物理的な動きを分析するために、彼らは異なる色素の色の相対的な明るさ、つまり明度を利用しました。結果は、「星月夜」の 14 個の渦の大きさ、相対距離、強度が流体力学のコルモゴロフ理論に従っていることを示しました。この理論は、1940年代にソ連の数学者アンドレイ・コルモゴロフによって開発されたもので、流速の変動とエネルギー散逸率の間の数学的関係を説明しています。この研究では、最小スケールでは、顔料が乱流理論で予測された方法で背景の渦の一部と混ざり合うことも判明した。これは、バチェラーの法則という統計パターンに従う。バチェラーの法則とは、小さな粒子（海を漂う藻類や風で運ばれる塵など）が乱流によって受動的に混ざり合う様子を数学的に説明する法則である。

「星月夜」の渦巻きの典型的な筆致の空間スケール

「もちろん、ゴッホはこれらの方程式を知らなかったかもしれないが、自然界の乱流を観察することに多くの時間を費やしていた可能性が高い」と研究者らは述べた。 「この肉体的な関係が彼の心に深く根付いていたと私は信じています。だから、有名な『星月夜』を作ったとき、彼は自然に本物の流れを真似したのです。」乱気流をより深く理解することで、天気予報の改善、飛行中の乱気流の軽減、その他多くのプロセスに役立ちます。科学者たちは長い間、流体力学における乱流の記述に困難に直面してきました。この現象を予測する効果的な方法はまだ見つかっておらず、完全な説明は物理学における大きな謎のままです。

新たな研究により、ゴッホの傑作「星月夜」の神秘的で幻想的な空には乱流理論との驚くべき類似点が隠されていることがわかり、芸術と科学の微妙なつながりが実証されている。ゴッホは潜在意識の中で乱気流を独特な方法で認識していた。 1889 年のその夜、彼が見たのは、星空の興奮と孤独以上のものだったのかもしれない。 （AIPパブリッシング）

人類の進化を理解するために、科学者たちは約3,500年前のチーズのDNAを検査した。

誰が私のチーズを動かしたの？人類の何百万年にも及ぶ進化の中で、食品の発酵自体は古くから伝わる賢明な「寓話」です。異なる民族や文化のグループにはそれぞれ食品の発酵に対する好みがあり、生活様式の変化や農業の発展も発酵技術の進化と密接に関係しています。新たな研究では、約3,500年前に遡る3つのグループのケフィアチーズの古代微生物ゲノムを研究することで、ケフィア乳酸菌の人類による応用、普及、栽培化の歴史が明らかになり、人類の進化と環境との相互作用を理解するための新たなアイデアがもたらされました。関連論文は9月25日にCell誌に掲載された。

新疆ウイグル自治区の小河墓地から発掘された青銅器時代のチーズのサンプルと、外径約 1.8 cm のガラス管ボトルのキャップを比較した。 |中国科学院大学人文学部 楊一民

この研究のサンプルは、これまでに発見されたチーズ製品の中で最も古いもので、新疆ウイグル自治区タリム盆地の小河墓地から発掘されたケフィアチーズ3組である。ケフィアヨーグルトから派生したもので、ケフィアグレイン（麹に似たもの）を牛乳で発酵させて作られます。乳製品の発酵技術の普及は、主に人間の移住と交流を伴い、発酵に重要な役割を果たす乳酸菌の進化を促進しました。

研究チームは独自に乳酸菌の全ゲノム遺伝子座プローブを設計し、サンプルから古代ケフィアチーズの高品質な乳酸菌ゲノムを抽出しました。系統関係の分析により、発酵に使用されるケフィア乳酸菌には2つの異なる系統があることが判明しました。 1 つの系統は、コーカサスからヨーロッパ、アジア、東南アジアの沿岸地域に広がる主流の経路に準拠しており、もう 1 つの系統には、主に東アジアの内陸地域 (チベットを含む) に分布する系統が含まれます。新疆のタリム盆地の古代人がケフィアヨーグルトを発酵させるために使用していた菌株は、この系統から派生したもので、その基礎にあった。これは、技術と文化の交流を通じて、ケフィアヨーグルトの製造工程を新疆から東アジア内陸部に広める別のルートがあることを示している。

（A）新疆の小河墓地の計画図(B) 新疆ウイグル自治区の小河墓地から発掘されたミイラの標本（「小河公主」と呼ばれ、首にチーズの標本が巻かれていた） (C) 本研究で微生物ゲノムが得られた青銅器時代のチーズサンプルの3つのグループ。 (D) チーズサンプル中の微生物DNA組成

研究の著者らは、ケフィア乳酸菌の2つの系統の分化は、共通の祖先が家畜化され、その後異なる移動経路によって異なる集団に広がった結果である可能性が高いと考えている。これは、発酵微生物を適用し、家畜化する過程で、さまざまな古代集団がさまざまな経路で移動し、コミュニケーションをとったことを意味します。

さらに、この研究では、長期にわたる人間による応用と栽培もケフィア乳酸菌の進化に影響を与えた可能性があることも判明した。新疆ウイグル自治区の青銅器時代のケフィア乳酸菌と比較すると、腸の炎症反応を軽減することに関連する2つの水平伝播遺伝子クラスターが、チベットの現代のケフィア乳酸菌株に現れました。これらの遺伝子クラスターは、ヒトの腸内での乳酸菌の生存を促進するだけでなく、腸の機能も促進します。これはおそらく、当時の人々が、異なる系統のケフィア乳酸菌を含むケフィアグレインを好んだことに関係していると思われます。

関係する専門家は、この研究は、この分野では非常に珍しい古代DNA研究であり、全く新しいデータを発掘し、中央ユーラシアのステップ地帯の人々の移住、交流、微生物の栽培化の歴史に新たな知見をもたらしたとコメントした。

宇宙に1か月滞在すると、人間の心臓は老化の兆候を示す

宇宙に長期間滞在すると、低重力環境が身体にどのような影響を与えるのでしょうか？ 9月23日にPNASに掲載された研究によると、人間の心臓組織は宇宙に1か月滞在した後、衰え始め、鼓動のリズムが不規則になり、老化に似た分子遺伝学的変化を起こしたことが判明した。

研究者らはヒト人工多能性幹細胞（iPSC）を培養し、心筋細胞に分化させた。その後、得られた心筋組織サンプルを、人間の心臓環境をシミュレートするハート・オン・チップに組み込みました。この装置は、サンプルが鼓動する心臓のように収縮したり弛緩したりすることを可能にし、センサーを使用して収縮の強さと脈動のリズムをリアルタイムで監視します。 2020年3月、48個のサンプルがSpaceXのドラゴン宇宙船で国際宇宙ステーションに送られ、その後、10秒間の心筋組織モニタリングデータが30分ごとに地上に送信されました。

分析の結果、国際宇宙ステーションに滞在した12日後には、地上に留まった対照群と比較して心筋組織の収縮力がほぼ半分に低下し、地球に帰還してから9日後もこの衰弱は明らかだったことが判明した。宇宙では、心拍リズムは時間の経過とともに不規則になります。 19日目までに、組織の拍動間隔は5倍以上に増加しました。しかし、この異常は地球に帰還した後には消えた。

回収された組織を顕微鏡で調べたところ、筋肉の収縮を担うサルコメアが短くなり、乱れが生じていることが判明しました。ミトコンドリアも膨張し、断片化しました。 RNA 配列解析により、組織内の炎症および酸化損傷に関連する遺伝子の発現が上昇していることが示されました。同時に、正常な心臓収縮とミトコンドリア機能に必要な遺伝子の発現は低下の兆候を示しました。研究者らは、低重力環境の悪影響から宇宙飛行士を守るための潜在的な薬剤を検査するため、2回目の心筋組織サンプルが2023年に国際宇宙ステーションに送られると述べた。

教科書を書き直す？この炭素-炭素結合には電子が1つだけある

単電子共有結合のアイデアが初めて提案されてからほぼ1世紀が経ち、9月25日にネイチャー誌に掲載された研究により、2つの炭素原子間の初の単電子共有結合が達成されました。この発見は、化学結合理論をより深く理解するために重要であるだけでなく、化学反応のさらなる理解にも新たな洞察をもたらします。

分子内では、2 つの原子が電子対を共有して共有結合を形成します。ほとんどの共有結合は、共有電子のペアで構成される単結合、または 2 対または 3 対の電子で構成される二重結合や三重結合です。 1931 年、化学者ライナス・ポーリングは、単一の不対電子によって形成される単電子共有結合が存在する可能性はあるが、非常に不安定で、簡単に壊れ、対を復元するために電子を放出または捕獲する傾向が強いと提唱しました。このタイプの結合は単電子シグマ結合と呼ばれます。

これを達成するために、研究者らはヨウ素酸化を通じて既存の炭素-炭素二電子共有結合から電子を除去することを試みた。研究者らはヘキサフェニルエタン（HPE）をベースに、改良スピロジベンゾシクロヘプタトリエン（DBCHT）化合物HPE 1を設計した。周囲の芳香族基によって生じる立体障害効果により、中央の炭素-炭素単結合が大きく伸長し、分子のHOMOエネルギーレベルが上昇する。つまり、分子内の他の場所の電子が除去された電子を置き換えることが困難になる。

論文の著者である東京大学の島尻卓也氏は、電子を除去しようとする過去の試みでは結合が弱すぎてすぐに壊れてしまい、正確な化学分析ができなかったが、今回使用した分子は電子を除去した後も十分に安定していると述べた。研究者らは、X線回折とラマン分光法を用いて分析し、密度汎関数理論計算を行った結果、単一電子からなる安定した共有結合を有していることを突き止め、最終的に炭素-炭素単一電子σ結合の存在を確認した。

この結果は、単一電子炭素-炭素シグマ結合の最初の実験的証拠となります。一部の化学者は、これは非常に意義深い発見だと言った。炭素における単一電子シグマ結合の実現により、化学結合の基本的な特性に対する理解が深まり、化学者がまったく新しい分子ファミリーを作成できるようになることが期待されます。

ストレスでパフォーマンスが低下しますか?サルも

試験室で頭が真っ白になることはありませんか？弁護中は話すこともできないんですか？コート上でブザービーターを決めたいのに、足が上がらないと感じていませんか？安心してください、私たちはみんな同じです ― 猿でさえも。 9月12日にニューロン誌に掲載された研究によると、強いストレス下での「クラッシュ」は、運動に備えて脳の神経活動が低下することに関連しており、人間に特有のものではないことが示された。

研究者たちは、アカゲザルにコンピューターのカーソルをできるだけ速く正確に指定の場所に動かすという課題を設定し、その後報酬を与えた。それぞれの課題が始まる前に、研究者たちはサルたちに、報酬が小さいか、中くらいか、大きいか、あるいは「大当たり」か、いずれか尋ねた。ジャックポットは稀で、非常に大きいため、リスクは高いが報酬も大きい状況となります。研究者らはまた、さまざまな報酬シナリオ下での神経活動の変化を観察するために、運動を制御するサルの脳の前頭領域に電極を移植した。

結果は、報酬の量が増加するにつれて、サルの神経活動がより活発になり、状態がより良くなることを示しました。しかし、報酬が大当たりとなる状況では、運動準備に関連するニューロンの活動は減少しました。 「動作準備」は「運動実行」の反対で、引き金を引く前に標的を狙うのと似た、動作前の注意、組織化、計画などの個人の認知活動が含まれます。関連するニューロンの活動が低下したということは、サルが十分に準備できておらず、したがってパフォーマンスが悪かったことを意味します。この研究は、潜在的な報酬が増加すると神経活動がピークに達することを示唆している。このポイントを超えると、報酬がどれだけ豊富であっても、神経活動が弱まり始め、脳が最適な状態から逸脱する原因となります。

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